(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンロッド大端に組み込まれる転がり軸受の保持器であって、転動体を保持する複数のポケットを有する略円筒状に形成された保持器において、
この略円筒状の保持器外径面のうち前記ポケットの保持器軸方向両側に形成された、周方向に連続した円筒面の片側の幅寸法をｂとし、前記円筒面と、この円筒面に対峙する外輪軌道面との間の最小油膜厚さをｈとし、
前記保持器外径面と外輪軌道面との間の接触力を式（１）で定義し、
【数１】
0005376798.tif 000016
この式（１）で求めた接触力と釣り合う最小油膜厚さｈを、流体潤滑理論に基づく次式（１ａ）を用いて、接触力Ｆと油膜力Ｗの値を等価として求め、
【数２】
0005376798.tif 000017
ここで、η は粘度,Pa・s、N’は軸回転数,rps、Lは軸受幅,m、cは半径すきま,m、Rは軸受半径,mを表し、
前記保持器外径面と、この保持器外径面に対峙する外輪軌道面との合成表面粗さσを求め、
前記最小油膜厚さｈとクランク軸の回転速度との関係を式（２）で表し、
【数３】
0005376798.tif 000018
前記式（２）において、前記最小油膜厚さｈが、前記保持器外径面とこの保持器外径面に対峙する外輪軌道面との前記合成表面粗さσに等しくなる場合の幅寸法ｂである最小幅寸法ｂ1を求め、
前記円筒面の幅寸法ｂを、最小幅寸法ｂ1以上に設定した転がり軸受の保持器。
【請求項２】
請求項１において、前記最小油膜厚さｈと保持器外径の片側の幅寸法ｂとの関係を表す前記式（２）において、最小油膜厚さｈが、前記保持器外径面とこの保持器外径面に対峙する外輪軌道面との前記合成表面粗さσに等しくなる場合の幅寸法ｂを最小幅寸法ｂmin.とし、前記式（２）において、最小油膜厚さｈが、前記保持器外径面とこの保持器外径面に対峙する外輪軌道面との前記合成表面粗さσの３倍となる場合の幅寸法ｂを最大幅寸法ｂmax.とし、
前記円筒面の幅寸法ｂを、最小幅寸法ｂmin.以上最大幅寸法ｂmax.以下に設定した転がり軸受の保持器。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記保持器をアキシアル平面で切断して視た断面が、略門形または略Ｍ字形である転がり軸受の保持器。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、プレス加工により、リング状部材にポケットを打ち抜き製作される転がり軸受の保持器。
【請求項５】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、プレス加工により、帯状部材にポケットを打ち抜き、この帯状部材の長手方向一端部と他端部とを対向させてリング状に丸め、前記長手方向一端部と他端部とを溶接接合して製作される転がり軸受の保持器。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、保持器の少なくとも前記円筒面に、軟質金属めっき処理または樹脂被膜処理を施した転がり軸受の保持器。
【請求項７】
転動体を保持する複数のポケットを有する略円筒状に形成され、クランク運動する保持器の設計方法において、
この略円筒状の保持器外径面のうち、前記ポケットの保持器軸方向両側に形成された、周方向に連続した円筒面の片側の幅寸法をｂとし、前記円筒面と、この円筒面に対峙する外輪軌道面との間の最小油膜厚さをｈとし、
前記最小油膜厚さｈと、クランク半径ｒｃｒおよびクランク角速度ωｃｒとの関係を式（３）で表し、
【数４】
0005376798.tif 000019
前記最小油膜厚さｈを式（３）に基づき求める過程と、
前記保持器外径面と、この保持器外径面に対峙する外輪軌道面との合成表面粗さσを求める過程と、
前記最小油膜厚さｈと保持器外径の片側の幅寸法ｂとの関係を表す上記式（３）において、最小油膜厚さｈが、前記保持器外径面とこの保持器外径面に対峙する外輪軌道面との前記合成表面粗さσに等しくなる場合の幅寸法ｂを最小幅寸法ｂmin.とし、上記式（３）において、最小油膜厚さｈが、前記保持器外径面とこの保持器外径面に対峙する外輪軌道面との前記合成表面粗さσの３倍となる場合の幅寸法ｂを最大幅寸法ｂmax.とする過程と、
前記円筒面の幅寸法ｂを、最小幅寸法ｂmin.以上最大幅寸法ｂmax.以下に設定し、これら最小幅寸法ｂmin.および最大幅寸法ｂmax.を出力する過程と、
を有する保持器の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、コンロッド大端部で使用される転がり軸受の保持器およびその設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受の保持器案内形式には、ボールまたはころからなる転動体で案内する転動体案内方式、内輪または外輪で案内する軌道輪案内方式がある。軌道輪案内方式では、保持器と軌道輪は滑り接触している。この軌道輪案内方式において、遠心力等によって保持器が軌道輪に強く押し付けられる場合、十分な油膜が形成されず、保持器および軌道輪の接触部が摩耗し、不具合を生じることがある。この対策として、例えば保持器の一部に油溜まりを設け、接触部に十分な潤滑油を供給する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平７−１６７１３５号公報
【非特許文献１】村木・木村  潤滑油のトラクション特性に関する研究（第2報）,潤滑,28,10(1983)753-760.
【非特許文献２】R. S. Zhou and M. R. Hoeprich  Torque of Tapered Roller Bearings, Trans. ASME, J. Trib., 113, 7(1991) 590.
【非特許文献３】山本・兼田  トライボロジー ,理工学社(1998) 88
【非特許文献４】橋本  基礎から学ぶトライボロジー ,森北出版(2006) 94
【非特許文献５】日本規格協会  JISハンドブック  機械要素，日本規格協会(1997)1165-1166
【非特許文献６】村木・木村  潤滑油のトラクション特性に関する研究（第1報）,潤滑,28,1(1983)67-73
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前記軌道輪案内方式では、保持器の一部に油溜まりを設けたものであっても、遠心力等によって保持器が軌道輪に強く押し付けられる場合、十分な油膜が形成されず、保持器および軌道輪の接触部が摩耗し、不具合を生じることがある。
【０００４】
この発明の目的は、保持器外径面のうちポケット幅を除く幅寸法を設定し、保持器外径面と軌道輪内径面の潤滑状態を向上することで、保持器および軌道輪の摩擦および摩耗を低減でき、かつ適用可能な運転限界の向上を図ることが可能な転がり軸受の保持器およびその設計方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明の転がり軸受の保持器は、コンロッド大端に組み込まれる転がり軸受の保持器であって、転動体を保持する複数のポケットを有する略円筒状に形成された保持器において、この略円筒状の保持器外径面のうち前記ポケットの保持器軸方向両側に形成された、周方向に連続した円筒面の片側の幅寸法をｂとし、前記円筒面と、この円筒面に対峙する外輪軌道面との間の最小油膜厚さをｈとし、前記保持器外径面と外輪軌道面との間の接触力を式（１）で定義し、
【数５】
0005376798.tif 000002
この式（１）で求めた接触力と釣り合う最小油膜厚さｈを、流体潤滑理論に基づく次式（１ａ）を用いて、接触力Ｆと油膜力Ｗの値を等価として求め、
【数６】
0005376798.tif 000003
ここで、η は粘度,Pa・s、N’は軸回転数,rps、Lは軸受幅,m、cは半径すきま,m、Rは軸受半径,mを表し、
前記保持器外径面と、この保持器外径面に対峙する外輪軌道面との合成表面粗さσを求め、
前記最小油膜厚さｈとクランク軸の回転速度との関係を式（２）で表し、
【数７】
0005376798.tif 000004
前記式（２）において、前記最小油膜厚さｈが、前記保持器外径面とこの保持器外径面に対峙する外輪軌道面との前記合成表面粗さσに等しくなる場合の幅寸法ｂである最小幅寸法ｂ1を求め、前記円筒面の幅寸法ｂを、最小幅寸法ｂ1以上に設定したものである。
前記合成表面粗さとは、保持器外径面の二乗平均表面粗さ(Rq)を二乗した値に、外輪軌道面の二乗平均表面粗さ(Rq)に二乗した値を加えた合計値を求め、この合計値の平方根をとり算出した粗さと同義である。
【０００６】
この構成によると、最小油膜厚さｈを求め、この最小油膜厚さｈが合成表面粗さσに等しくなる最小幅寸法ｂ1を求め、この最小幅寸法ｂ1を円筒面の幅寸法ｂの下限値に設定したため、油膜形成性が向上し、保持器および軌道輪の摩耗を抑え、軸受の長寿命化を図ることができる。すなわち、最小油膜厚さｈを合成表面粗さσで除した値が１より小さくなる条件、つまりｈ／σ＜１で摩耗量が急増するという村木らの報告（非特許文献１参照）を基に、１≦ｈ／σとなるように設定した。また、従来の保持器の一部に油溜まりを設けた場合よりも、保持器の構成を簡単化し、かつ設計の自由度を高めることができる。したがって、製造コストの低減を図ることができる。
【０００７】
この発明において、前記最小油膜厚さｈと保持器外径の片側の幅寸法ｂとの関係を表す前記式（２）において、最小油膜厚さｈが、前記保持器外径面とこの保持器外径面に対峙する外輪軌道面との前記合成表面粗さσに等しくなる場合の幅寸法ｂを最小幅寸法ｂmin.とし、前記式（２）において、最小油膜厚さｈが、前記保持器外径面とこの保持器外径面に対峙する外輪軌道面との前記合成表面粗さσの３倍となる場合の幅寸法ｂを最大幅寸法ｂmax.とし、前記円筒面の幅寸法ｂを、最小幅寸法ｂmin.以上最大幅寸法ｂmax.以下に設定しても良い。
【０００８】
この構成によると、上記式（２）では、円筒面の幅寸法ｂが最小油膜厚さｈの陰関数の形で表現されている。最小油膜厚さｈに対して陽関数の形で表現することができないため、特定の条件下の最小油膜厚さｈを求めるには、収束計算をする必要があるが、例えば数値計算プログラム等により油膜圧力を計算するよりも、最小油膜厚さｈを容易に推定することができる。また、最小油膜厚さｈが、前記合成表面粗さσに等しくなる最小幅寸法ｂmin.を求め、この最小幅寸法ｂmin.を円筒面の幅寸法の下限値に設定したため、油膜形成性が向上し、保持器および軌道輪の摩耗を抑え、軸受の長寿命化を図ることができる。
ここで、１≦ｈ／σ≦３において、ｈ／σが大きくなるほど摩耗量は低減するが、３＜ｈ／σにおいて摩耗量は殆んど変化しない。幅寸法ｂを増やすと、ころ長さが減少し軸受の負荷容量が低下する。３＜ｈ／σにおいては、摩耗量低減のメリットは無く、負荷容量低下のデメリットしかないため、最小油膜厚さｈが、前記合成表面粗さσの３倍となる最大幅寸法ｂmax.を求め、この最大幅寸法ｂmax.を円筒面の幅寸法の上限値に設定した。その他第１の発明と同様の作用、効果を奏する。
【０００９】
前記保持器をアキシアル平面で切断して視た断面が、略門形または略Ｍ字形であっても良い。前記略門形の断面形状にした場合、柱強度に優れ且つころ落ちしない保持器を実現できる。前記略Ｍ字形の断面形状にした場合、形状を簡単化でき、且つころ落ちしない保持器を実現できる。
【００１０】
プレス加工により、リング状部材にポケットを打ち抜き製作される保持器としても良い。プレス加工により、帯状部材にポケットを打ち抜き、この帯状部材の長手方向一端部と他端部とを対向させてリング状に丸め、前記長手方向一端部と他端部とを溶接接合して製作される保持器としても良い。これらの場合、保持器の製造コストの低減を図ることができる。なお、保持器外径面の仕上げ工程では、研削加工を用いても良い。
【００１１】
保持器の少なくとも前記円筒面に、軟質金属めっき処理または樹脂被膜処理を施しても良い。軟質金属としては、銀や銅などがよく用いられる。樹脂被膜としは、ポリアミドイミドなどが耐熱性や耐摩耗性の点で好ましい。前記円筒面に、軟質金属めっき処理または樹脂被膜処理を施した場合、保持器外径面と外輪軌道面間のなじみ性（表面粗さの改善性）に優れるため、保持器外径部の摩耗が問題になるようなアプリケーションでは特に有効である。
【００１２】
この発明の保持器の設計方法は、転動体を保持する複数のポケットを有する略円筒状に形成され、クランク運動する保持器の設計方法において、この略円筒状の保持器外径面のうち、前記ポケットの保持器軸方向両側に形成された、周方向に連続した円筒面の片側の幅寸法をｂとし、前記円筒面と、この円筒面に対峙する外輪軌道面との間の最小油膜厚さをｈとし、前記最小油膜厚さｈと、クランク半径ｒｃｒおよびクランク角速度ｗｃｒとの関係を式（３）で表し、
【数８】
0005376798.tif 000005
前記最小油膜厚さｈを式（３）に基づき求める過程と、前記保持器外径面と、この保持器外径面に対峙する外輪軌道面との合成表面粗さσを求める過程と、前記最小油膜厚さｈと保持器外径の片側の幅寸法ｂとの関係を表す上記式（３）において、最小油膜厚さｈが、前記保持器外径面とこの保持器外径面に対峙する外輪軌道面との前記合成表面粗さσに等しくなる場合の幅寸法ｂを最小幅寸法ｂmin.とし、上記式（３）において、最小油膜厚さｈが、前記保持器外径面とこの保持器外径面に対峙する外輪軌道面との前記合成表面粗さσの３倍となる場合の幅寸法ｂを最大幅寸法ｂmax.とする過程と、前記円筒面の幅寸法ｂを、最小幅寸法ｂmin.以上最大幅寸法ｂmax.以下に設定し、これら最小幅寸法ｂmin.および最大幅寸法ｂmax.を出力する過程とを有するものである。
【００１３】
この構成によると、特に、式（３）に基づき求めた最小油膜厚さｈが、前記合成表面粗さσに等しくなる最小幅寸法ｂmin.を求め、上記式（３）に基づき求めた最小油膜厚さｈが、前記合成表面粗さσの３倍となる最大幅寸法ｂmax.を求めて、円筒面の幅寸法の下限値および上限値を設定したため、油膜形成性が向上し、保持器および軌道輪の摩耗を抑え、軸受の長寿命化を図ることができ、かつ軸受の負荷容量の低下を最小に抑えることができる。その他第１，第２の発明と同様の作用、効果を奏する。
【発明の効果】
【００１４】
この発明の転がり軸受の保持器は、コンロッド大端に組み込まれる転がり軸受の保持器であって、転動体を保持する複数のポケットを有する略円筒状に形成された保持器において、この略円筒状の保持器外径面のうち前記ポケットの保持器軸方向両側に形成された、周方向に連続した円筒面の片側の幅寸法をｂとし、前記円筒面と、この円筒面に対峙する外輪軌道面との間の最小油膜厚さをｈとし、前記保持器外径面と外輪軌道面との間の接触力を式（１）で定義し、
【数８】
0005376798.tif 000006
この式（１）で求めた接触力と釣り合う最小油膜厚さｈを、流体潤滑理論に基づく次式（１ａ）を用いて、接触力Ｆと油膜力Ｗの値を等価として求め、
【数９】
0005376798.tif 000007
ここで、η は粘度,Pa・s、N’は軸回転数,rps、Lは軸受幅,m、cは半径すきま,m、Rは軸受半径,mを表し、
前記保持器外径面と、この保持器外径面に対峙する外輪軌道面との合成表面粗さσを求め、
前記最小油膜厚さｈとクランク軸の回転速度との関係を式（２）で表し、
【数１０】
0005376798.tif 000008
前記式（２）において、前記最小油膜厚さｈが、前記保持器外径面とこの保持器外径面に対峙する外輪軌道面との前記合成表面粗さσに等しくなる場合の幅寸法ｂである最小幅寸法ｂ1を求め、前記円筒面の幅寸法ｂを、最小幅寸法ｂ1以上に設定し、保持器外径面と軌道輪内径面の潤滑状態を向上することで、保持器および軌道輪の摩擦および摩耗を低減でき、かつ適用可能な運転限界の向上を図ることができる。
【００１６】
この発明の保持器の設計方法は、転動体を保持する複数のポケットを有する略円筒状に形成され、クランク運動する保持器の設計方法において、この略円筒状の保持器外径面のうち、前記ポケットの保持器軸方向両側に形成された、周方向に連続した円筒面の片側の幅寸法をｂとし、前記円筒面と、この円筒面に対峙する外輪軌道面との間の最小油膜厚さをｈとし、前記最小油膜厚さｈと、クランク半径ｒｃｒおよびクランク角速度ωｃｒとの関係を式（３）で表し、
【数１２】
0005376798.tif 000009
前記最小油膜厚さｈを式（３）に基づき求める過程と、前記保持器外径面と、この保持器外径面に対峙する外輪軌道面との合成表面粗さσを求める過程と、前記最小油膜厚さｈと保持器外径の片側の幅寸法ｂとの関係を表す上記式（３）において、最小油膜厚さｈが、前記保持器外径面とこの保持器外径面に対峙する外輪軌道面との前記合成表面粗さσに等しくなる場合の幅寸法ｂを最小幅寸法ｂmin.とし、上記式（３）において、最小油膜厚さｈが、前記保持器外径面とこの保持器外径面に対峙する外輪軌道面との前記合成表面粗さσの３倍となる場合の幅寸法ｂを最大幅寸法ｂmax.とする過程と、前記円筒面の幅寸法ｂを、最小幅寸法ｂmin.以上最大幅寸法ｂmax.以下に設定し、これら最小幅寸法ｂmin.および最大幅寸法ｂmax.を出力する過程とを有するため、保持器外径面のうちポケット幅を除く幅寸法を設定し、軸受の負荷容量の低下を抑えつつ、保持器外径面と軌道輪内径面の潤滑状態を向上することで、保持器および軌道輪の摩擦および摩耗を低減でき、かつ適用可能な運転限界の向上を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
この発明の一実施形態を図１ないし図８と共に説明する。
本実施形態は、コンロッド大端部で使用されるニードル軸受（針状ころ軸受）に適用される。この実施形態では、ニードル軸受の保持器を適用したが、ニードル軸受の保持器だけに必ずしも限定されるものではない。例えば円筒ころ軸受の保持器に適用することも可能である。なお、以下の説明は、保持器の設計方法についての説明をも含む。
このニードル軸受は、保持器１５Ａ（１５Ｂ）と複数個の転動体Ｔとを有する。本実施形態に係るニードル軸受ＮＪは、図２に示すように、コンロッド大端部ＣＲの嵌合孔ＣＲａに設けられる。この嵌合孔ＣＲａを形成したコンロッド大端部ＣＲが軌道輪つまり外輪となり、前記嵌合孔ＣＲａの内径面が外輪軌道面に相当する。本実施形態に係るニードル軸受は、軌道輪を構成要件としていない。ただし、コンロッド以外の用途において、軌道輪を構成要件としても良い。前記保持器１５Ａ（１５Ｂ）をアキシアル平面で切断して視た断面が、図１（Ａ）に示すように略Ｍ字形、または図１（Ｂ）に示すように略門形となる。ただし、前記略Ｍ字形はＭ字形を含み、前記略門形は門形を含む。
【００１８】
クランク運動下の保持器は、遠心力によって保持器外径面がコンロッド大端部内径と接触する。この時の接触力を下記の仮定条件（i）ないし（ix）の下、後述する動力学計算プログラムで算出した結果、図３に示すように保持器と外輪間の干渉力Ｆは、下記式（１）に略等しくなることが明らかになった。図３においては、ニードル軸受の寸法が、内径円径φ２６ｍｍ、外径円径φ３３ｍｍ、幅１３．８ｍｍ、ころ１６本、エンジン諸元：排気量１２５ｃｃ、単気筒における干渉力Ｆを表す。前記干渉力Ｆは、摩擦力成分を含めた互いに干渉しあう力と同義である。
【００１９】
仮定条件について説明する。
（i）ころ、保持器およびコンロッドは、３自由度（２並進変位、および１角変位の自由度）を持つ。
（ii）ピストンは、往復運動方向の並進自由度のみを持つ。ただし、コンロッドとは、滑らかな回転ジョイントによりその小端部で結合される。
（iii）クランクの中心は固定とし、一定角速度で回転する。
（iv）ピストンへは筒内圧力による荷重が作用する。
（v）保持器の弾性変形を考慮する。ただし軸受中心のラジアル平面に対して面対称な変形モードのみを考慮する。
（vi）ころ-軌道面間、ころ-保持器間、および保持器-軌道面間の各干渉部での接触力は、弾性接触理論に準じる。
（vii）トラクション特性は村木らの計算式に準じる（非特許文献１参照）。
（viii）ころと軌道面との接触部にはＥＨＬ油膜による転がり粘性抵抗（非特許文献２参照）が存在する。
（ix）保持器外径部-外輪軌道間、および保持器柱-ころ間の接触部潤滑モードは、境界潤滑と仮定する。
【００２０】
【数１０】
0005376798.tif 000010
【００２１】
前記動力学計算プログラム等について説明する。
３次元での転がり軸受の保持器応力の動力学解析システムは、各種転がり軸受に適用可能である。しかしながら、３次元での動力学解析では、各部品の６自由度ならびに保持器の３次元的な弾性変形の自由度の全てを同時に数値積分するため、計算コストは高い。ところで、ニードル軸受や円筒ころ軸受などでは、ラジアル平面上の物体の挙動のみを取り扱いたい場合がある。この場合に上記の３次元全ての自由度を考慮する動力学解析では効率的でない。また、剛体部品の運動の自由度の拘束は容易にできるが、弾性体として取り扱う保持器の軸方向変位、ならびに自転を除く２軸周りの角変位を拘束するのは難しい。
【００２２】
そこで、本実施形態に係る転がり軸受の保持器応力の動力学解析プログラムでは、保持器の弾性変形の自由度を２次元上に限定し、かつ転動体や軌道輪の運動の自由度も２次元上に限定することで、数値積分の必要処理量を減少させている。これにより、転がり軸受の保持器応力を、３次元解析で行った場合よりも短時間で計算を完了させ得る。
図４に示すように、前記動力学解析プログラムが格納される保持器の応力解析システム１は、入力手段２と演算手段３と出力手段４とを含む。前記演算手段３は、軸受構成部品を剛体とみなした転がり軸受の動力学解析モデルが定められ、この動力学解析モデルに、保持器の動的な弾性変形の特性をモード合成法に基づき入力可能な解析モデル設定部３ａと、前記解析モデル設定部３ａで入力される弾性変形の自由度と、予め定める軸受構成部品の運動の自由度とを同時に数値積分することで、変形の動特性を含む保持器の変形履歴を算出し、該算出される変形履歴を応力分布に変換する応力演算部３ｂと、前記応力演算部３ｂで変換された保持器応力を前記出力手段４へ出力する出力処理部３ｃと、を有し、保持器の弾性変形ならびに転動体、軌道輪ならびに保持器の剛体モードの運動の自由度を２次元上に限定する構成となっている。
【００２３】
図４（Ａ），（Ｂ）は、本発明の実施形態に係る応力解析システムの電気的構成を表すブロック図である。応力解析システム１は、主に、入力手段２と、演算手段３と、出力手段４とを有する。入力手段２は、たとえばキーボードやポインティングデバイスなどによって実現される。演算手段３は、解析モデル設定部３ａと、応力演算部３ｂと、出力処理部３ｃとからなる。解析モデル設定部３ａは、前述の動力学解析モデルを設定し、この動力学解析モデルに、保持器の動的な弾性変形の特性（固有変形モードおよびその周波数）を、モード合成法に基づき入力可能としたものである。
【００２４】
応力演算部３ｂは、解析モデル設定部３ａで入力される弾性変形の自由度と、予め定める軸受構成部品（ころ）の運動の自由度とを同時に数値積分することで、変形の動特性を含む保持器の変形履歴を算出する変形履歴算出部３ｂａと、該算出される変形履歴を応力分布に変換する応力分布変換部３ｂｂとを有する。出力処理部３ｃは、応力分布変換部３ｂｂで変換した応力分布を出力手段４へ出力する。演算手段３は、たとえば、中央演算処理装置５（略称CPU:Central Processing Unit）、リードオンリーメモリ６（略称ROM: Read Only Memory）、およびランダムアクセスメモリ７（略称RAM: Random Access Memory）を含むマイクロコンピュータと、バス８と、入出力インターフェース９と、出力手段４を駆動するための駆動回路１０とを有する。
【００２５】
入出力インターフェース９には、バス８を介してCPU５，ROM６，RAM７がそれぞれ電気的に接続されている。入出力インターフェース９に、入力手段２が電気的に接続されるうえ、駆動回路１０を介して出力手段４が電気的に接続されている。出力手段４は、たとえば表示出力可能なディスプレイやプリンタなどによって実現される。たとえばROM６に、前述の変形の動特性を含む保持器の変形履歴を算出し、該算出される変形履歴を応力分布に変換するためのプログラムが格納される。RAM７には、入力値、算出される値などが一時的に記憶される。CPU５を制御主体として、演算が実行される。
【００２６】
この構成によると、動力学解析モデルに保持器の動的な弾性変形の特性をモード合成法に基づき導入し、弾性変形の自由度と、軸受構成部品の運動の自由度とを同時に数値積分することで、変形の動特性を含む保持器の変形履歴を得ることができる。該変形履歴に基づいて保持器応力を得ることができる。特に、保持器の弾性変形ならびに転動体、軌道輪ならびに保持器の剛体モードの運動の自由度を２次元上に限定する構成により、３次元解析で行った場合よりも短時間で保持器応力の計算結果を得ることが可能となる。
【００２７】
次に、保持器外径部の油膜厚さの計算方法について説明する。
図１に示すように、保持器外径部１１は、円周方向に一定間隔おきに形成される、換言すれば断続したポケット柱部１２と、円周方向に連続した円筒部１３とに分類される。油膜圧力をレイノズル方程式に基づき求める数値計算プログラムを用いて、前記ポケット柱部１２に生じる油膜を計算したが、その効果は認められなかった。
これに対して、前記円筒部１３で生じる油膜は比較的大きな負荷能力が認められた。よって、円周方向に連続した円筒部１３での最小油膜厚さのみに着目して、この円筒部１３の幅寸法ｂを決定すればよい。この幅寸法ｂは、円筒部１３の円筒面のうち、面取部１３ｃの幅寸法Ｌｃを除く残余の幅寸法である。
【００２８】
上記のように数値計算プログラムの援用により、流体潤滑理論に基づく油膜による力が式（１）の保持器外径部１１への荷重と釣り合う最小油膜厚さｈを求めることができる。この最小油膜厚さｈが、保持器外径面１１Ａとこれに対峙する外輪軌道面１４との合成表面粗さσに等しくなる幅寸法ｂ1を求める。この幅寸法ｂ1を最小幅寸法として設定すれば、油膜が支持する荷重の割合が増えることから、保持器外径面１１Ａの摩耗を軽減できる。
前記合成表面粗さσは、保持器外径面１１Ａの二乗平均表面粗さ(Rq)を二乗した値に、外輪軌道面１４の二乗平均表面粗さ(Rq)に二乗した値を加えた合計値を求め、この合計値の平方根をとり算出した粗さである。具体的に、保持器外径面１１Ａの二乗平均表面粗さ(Rq)がα（μｍ）、外輪軌道面１４の二乗平均表面粗さ(Rq)がβ（μｍ）とすると、合成表面粗さσは、√（α２＋β２）により求められる。
なお、後述のように、クランク回転速度が上昇すると、保持器外径面１１Ａの最小油膜厚さｈが減少することから、クランク回転速度としては最も厳しい条件の使用限界速度を用いて、保持器幅寸法を決定すればよい。
【００２９】
ところで、一般的には保持器における本円筒部１３の幅径比が小さい。つまり、保持器の全幅寸法Ｌに占める円筒部１３の幅寸法の比率は小さい。その場合、無限小幅軸受理論（非特許文献３参照）に基づき、油膜による力すなわち最小油膜厚さｈを計算できると考えられる。油膜による力は、以下の式（２）により表される。なお、該無限小幅軸受理論の適用条件は、保持器直径寸法Ｄに対する幅寸法の比が０．２５以下の場合である（非特許文献３参照）。
【００３０】
【数１１】
0005376798.tif 000011
【００３１】
クランクピンは転がり軸受の内輪軌道に相当し、内輪軌道はクランク軸と共にクランク軸回転速度ωｃｒで回転する。通常、内輪回転する転がり軸受の保持器は、およそ内輪０．４倍の速度で回転することから、コンロッド大端のニードル軸受の保持器も、慣性系でおよそクランク軸回転速度ωｃｒに０．４を乗じた０．４ωｃｒで回転する。
ところで、保持器１５Ａ（１５Ｂ）と軌道輪の接触は、遠心力のため絶えずクランク中心から半径方向外方側の保持器外径部１１で生じるため、慣性座標系を基準とすると、クランク角速度ωｃｒで回転していることになる。保持器外径面１１Ａと外輪軌道面１４との接触位置を基準として見ると、保持器１５Ａ（１５Ｂ）はおよそ−０．６ωｃｒで移動し、外輪１６は−ωｃｒで移動する。
【００３２】
上記式（２）において、保持器外径部１１の油膜の力は表面速度の和に比例するため、軸回転数Ｎ´＝１．６ωｃｒ／２πとすればよい。
上記式（２）に対して、軸受幅Ｌに保持器１５Ａ（１５Ｂ）の幅寸法ｂ、軸受半径Ｒ（図示せず）に保持器外径Ｄの２分の１、Ｎ´＝１．６ωｃｒ／２πならびに油膜力に上記式（１）による保持器荷重の２分の１を代入すれば、保持器１５Ａ（１５Ｂ）における軸方向片側の連続した円筒部１３と、軌道輪である外輪１６との間に存在する最小油膜厚さとクランク軸の回転速度との関係が得られ、下記式（３）となる。
【００３３】
【数１２】
0005376798.tif 000012
式（３）において、幅寸法ｂのみを左辺に残すよう整理すると、式（４）を得る。
【数１３】
0005376798.tif 000013
【００３４】
上記式（４）では、幅寸法ｂが最小油膜厚さｈの陰関数の形で表現されている。最小油膜厚さｈに対して陽関数の形で式を表現することができないため、特定の条件下の最小油膜厚さｈを求めるには収束計算をする必要がある。しかし、上記式（４）によれば、前述の数値計算プログラムによる油膜圧力を計算するよりも、容易に最小油膜厚さｈを推定することができる。よって、幅寸法ｂを容易に求めることが可能となる。求めた幅寸法ｂは、図４の出力手段４により出力される。
【００３５】
上記式（４）によるクランク回転速度に対する保持器外径部１１の最小油膜厚さｈの計算例を図５に示す。図１も参照しつつ説明する。クランク回転速度の増加により保持器外径面１１Ａの荷重が増加するため、最小油膜厚さｈは減少する。また保持器外径面１１Ａの連続した円筒部１３の幅寸法ｂが大きいと、最小油膜厚さｈが大きいこともわかる。具体的に、潤滑油粘度グレード ＩＳＯ ＶＧ２２  １３０℃、保持器外径面１１Ａ、外輪軌道面１４間の半径すきま ０．１ｍｍの条件下で、たとえばクランク回転速度が２０００ｒｐｍの場合、幅寸法ｂが１．０ｍｍのものは、最小油膜厚さｈが約０．２６μｍとなる。同一条件下で、クランク回転速度が２０００ｒｐｍの場合、幅寸法ｂが２．０ｍｍのものは、最小油膜厚さｈが約０．７４μｍとなる。
よって、クランク軸の最高回転速度において、保持器１５Ａ（１５Ｂ）の適切な幅寸法ｂを選定すれば、保持器１５Ａ（１５Ｂ）と外輪１６との間に常に油膜が存在し、保持器１５Ａ（１５Ｂ）および外輪１６の摩耗を軽減することが可能と考えられる。
【００３６】
上記式（４）の妥当性について説明する。
エンジンを模擬したクランク運動する試験装置にて、保持器１５Ｂの幅寸法ｂをいくつか変更して、保持器外径面１１Ａの摩耗を目視確認した結果を図６、図７および表１に示す。運転条件は、回転速度５０００ｒｐｍ、試験時間１時間、潤滑油粘度グレードＩＳＯ ＶＧ２２を適用した。試験に供した保持器１５Ｂは、いずれも鋼製で表面被膜なしの状態である。試験個数は、同一幅寸法ｂにつき各２個づつである。
【表１】
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【００３７】
円環幅つまり保持器１５Ｂの幅寸法ｂが図６（ａ）に示すように２．２ｍｍのものは、保持器外径面１１Ａに摩耗痕が全く認められなかった。この状態を表１において、保持器摩耗状態として「◎」と表記した。幅寸法ｂが１．８ｍｍのものは、軽微な摩耗が認められ、この状態を表１において、保持器摩耗状態として「○」と表記した。幅寸法ｂが１．５ｍｍのものは、部分的に凝着摩耗が認められ、この状態を表１において、保持器摩耗状態として「△」と表記した。幅寸法ｂが１ｍｍのものは、円環部のほぼ全幅にわたって激しい凝着摩耗が認められ、この状態を表１において、保持器摩耗状態として「×」と表記した。
この試験結果によると、保持器１５Ｂの幅寸法ｂの増加に伴い、保持器外径面１１Ａにおいて目視確認できる摩耗痕が減少した。本実験から、実際のコンロッド大端用ニードル軸受の保持器１５Ａ（１５Ｂ）においても、保持器１５Ａ（１５Ｂ）の幅寸法ｂの増加により、保持器外径面１１Ａの油膜厚さの増加が確認できる。
【００３８】
また、外輪静止条件下で保持器単体を運転し、その間の金属接触率を測定したところ、図８のようになった。図８において、横軸の膜厚比は、上記式（２）に基づき求めた最小油膜厚さｈを、実測した保持器外径面１１Ａと外輪軌道面１４との合成粗さσで除算したものである。縦軸の金属接触率は、印加電圧をVI、外輪と保持器間の電位差をVBとし、
0005376798.tif 000015
のように定義される。
この膜厚比が「３」以上では金属接触率は１０％以下でほぼ一定だったが、膜厚比が「３」を下回ると金属接触率は急増し、且つ膜厚比に対して大きなばらつき無く、ほぼ直線的な変化を呈した。合成表面粗さσは、表面粗さの突起高さの標準偏差であり、最小油膜厚さｈが合成表面粗さσの３倍を超えると確率論的に殆んど保持器１５Ａ（１５Ｂ）と外輪１６とが接触しなくなるはずである。金属接触率の測定結果は、この知見ともよく合致する。
図６，７、図８に示す２つの試験結果より、保持器外径面１１Ａの油膜厚さは上記式（４）にほぼ合致すると考えられる。
【００３９】
上記式（４）では、円筒面の幅寸法ｂが最小油膜厚さｈの陰関数の形で表現されている。最小油膜厚さｈに対して陽関数の形で表現することができないため、特定の条件下の最小油膜厚さｈを求めるには、収束計算をする必要があるが、例えば数値計算プログラム等により油膜圧力を計算するよりも、最小油膜厚さｈを容易に推定することができる。
【００４０】
上記式（４）により求めた最小油膜厚さｈが、合成表面粗さσに等しくなる最小幅寸法ｂmin.を求め、上記式（４）により求めた最小油膜厚さｈが、合成表面粗さσの３倍となる最大幅寸法ｂmax.を求める。保持器１５Ａ（１５Ｂ）の円筒面の幅寸法ｂを、前記最小幅寸法ｂmin.以上とすれば、油膜で支持する荷重が増加し、摩耗が軽減され、前記最大幅寸法ｂmax.以下に設定すれば、油膜でほぼ完全に荷重を支持し、かつ軸受の負荷容量の低下を最小に抑えることができ、軸受の長寿命化を図ることができる。なお、クランク回転速度が上昇すると、保持器外径面１１Ａの最小油膜厚さｈが減少することから、クランク回転速度は使用限界速度を用いて最小幅寸法ｂmin.を決定しなければならない。
【００４１】
以上説明した保持器１５Ａ（１５Ｂ）は、鋼製で表面被膜等が施されていないものについて説明した。この発明の他の実施形態として、保持器表面に、軟質金属めっき処理または樹脂被膜処理を施しても良い。軟質金属としては、銀や銅などが適用される。たとえば、保持器表面に銅めっきを施した外径φ３２．９ｍｍ、軸受幅１３．８ｍｍ、幅寸法ｂ＝１．４７５ｍｍ、表面粗さおよそ０．４μｍの保持器をコンロッド大端に組み込み、クランク回転数１００００ｒｐｍで５時間運転した後の保持器外径部１１およびコンロッド大端内径の接触部の粗さは、それぞれおよそ０．１５μｍ、０．０７μｍとなった。したがって、合成表面粗さσは、√（０．１５２＋０．０７２）＝０．１７μｍと求められる。
【００４２】
軟質金属めっきは、接触によりその表面粗さが容易に小さくなるため、製造時の粗さとは無関係に保持器外径面１１Ａの最小油膜厚さｈが０．１７μｍとなる幅寸法ｂを下限値ｂmin.とする。幅寸法ｂの上限値ｂmax.として無限小幅軸受理論の適用限界である０．２５Ｄを採用する。または幅寸法ｂの上限値ｂmax.として、合成表面粗さσとして求めた０．１７μｍの３倍となる「０．５１」を採用する。このような幅寸法ｂの下限値、上限値を採用すると、耐摩耗性の点で好ましい。
【００４３】
樹脂被膜としては、ポリアミドイミドなどが耐熱性や耐摩耗性の点で好ましい。ただし、樹脂被膜はポリアミドイミドに限定されるものではない。
以上説明したように、保持器１５Ａ（１５Ｂ）に軟質金属めっき処理または樹脂被膜処理を施した場合、保持器外径面１１Ａと外輪軌道面１４間のなじみ性つまり表面粗さの改善性に優れる。このため、保持器外径部１１の摩耗が問題になるようなアプリケーションでは特に有効である。この実施形態では、保持器１５Ａ（１５Ｂ）全体に軟質金属めっき処理または樹脂被膜処理を施しているが、この形態に限定されるものではない。たとえば、保持器外径面１１Ａの円筒面だけに、軟質金属めっき処理または樹脂被膜処理を施してもよい。図１に示すように、保持器側面１１Ｂおよび前記円筒面に、軟質金属めっき処理または樹脂被膜処理を施してもよい。このような場合であっても、上記と同様の効果を奏する。
【００４４】
図１（Ａ）に示すように、保持器１５Ａを略Ｍ字形の断面形状にした場合、形状を簡単化でき、且つころ落ちしない保持器を実現できる。図１（Ｂ）に示すように、保持器１５Ｂを略門形の断面形状にした場合、柱強度に優れ且つころ落ちしない保持器を実現できる。
この保持器１５Ａ（１５Ｂ）は、プレス加工によりリング状部材からポケットＰｔを打ち抜き製作されるものとしても良い。プレス加工により、帯状部材にポケットＰｔを打ち抜き、この帯状部材の長手方向一端部と他端部とを対向させてリング状に丸め、前記長手方向一端部と他端部とを溶接接合して製作される保持器としても良い。また、必要に応じて削り加工を用いて製造しても良い。これらの場合、保持器の製造コストの低減を図ることができる。なお、保持器外径面１１Ａの仕上げ工程では、研削加工を用いても良い。
以上説明した転がり軸受の保持器１５Ａ（１５Ｂ）を、コンロッド大端部以外のクランク運動する箇所に設けても良い。この場合、保持器１５Ａ（１５Ｂ）および軌道輪の摩擦および摩耗を低減でき、かつ適用可能な運転限界の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】（Ａ）この発明の一実施形態に係る略Ｍ字形の断面形状の保持器の断面図であり、（Ｂ）この発明の一実施形態に係る略門形の断面形状の保持器の断面図である。
【図２】同保持器が組込まれるコンロッドの平面図である。
【図３】クランク軸回転速度に対する保持器外径面の干渉力を表す図である。
【図４】（Ａ）本発明の実施形態に係る応力解析システムの電気的構成を概略表すブロック図、同応力解析システムの演算手段を主に表すブロック図である。
【図５】クランク軸回転速度に対する保持器外径面の最小油膜厚さを表す図である。
【図６】クランク運動下での保持器円環幅の試験後外観を表す図であり、図６（ａ）は円環幅２．２ｍｍの外観を表す図、図６（ｂ）は円環幅１．８ｍｍの外観を表す図である。
【図７】クランク運動下での保持器円環幅の試験後外観を表す図であり、図７（ａ）は円環幅１．５ｍｍの外観を表す図、図７（ｂ）は円環幅１ｍｍの外観を表す図である。
【図８】外輪静止下での保持器外径部の計算による膜厚比と、金属接触率との関係を表す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１１…保持器外径部
１１Ａ…保持器外径面
１３…円筒部
１４…外輪軌道面
１５Ａ，１５Ｂ…保持器
１６…外輪
ｂ…幅寸法
【図１】
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【図２】
0005376798.tif 000021
【図３】
0005376798.tif 000022
【図４】
0005376798.tif 000023
【図５】
0005376798.tif 000024
【図６】
0005376798.tif 000025
【図７】
0005376798.tif 000026
【図８】
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